30CrMnSi鋼筒形件旋壓開裂的原因及改進措施

肖乾發, 梁霄鵬, 姚春臣, 許曉波, 羅青云, 丁 洵, 李 耀

(1.江南工業集團有限公司, 湘潭 411207；2.中南大學 材料科學與工程學院, 長沙 410083)

大型筒形件作為某些特殊用容器的關鍵部件，不能出現任何裂紋缺陷。目前，對于大直徑、超長、變壁厚的筒形件多采用旋壓工藝，該方法不僅能節約材料，還能利用加工硬化提升結構強度。但是，金屬管狀材料旋壓性能受材料本身組織和旋壓工藝的雙重影響，任一環節存在偏差均可能使筒形件發生開裂。

一批材料為30CrMnSiA鋼的大型筒形件在旋壓加工過程中發生開裂。筆者通過理化檢驗等方法，分析了該筒形件開裂的原因，以確保產品質量和可靠性，確保生產進度。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

旋壓開裂發生在筒形件旋壓的一端(見圖1)，裂紋較多，裂紋相互連接形成碎塊并脫落，在筒形件上留下一些孔洞。

圖1 旋壓開裂筒形件的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of spinning cracking cylindrical part

1.2 化學成分分析

檢查該批筒形件原材料的進廠驗收情況，其材料的狀態和化學成分均滿足技術要求。從旋壓開裂筒形件取樣進行化學成分分析，結果見表1，其化學成分亦滿足標準的技術要求。

表1 旋壓開裂筒形件的化學成分Tab.1 Chemical compositions of spinning cracking of cylindrical part

1.3 斷口分析

從筒形件斷口處取樣，采用掃描電鏡(SEM)進行觀察。由圖2可知，斷口已被污染，較難找到最先發生斷裂的位置，斷口可見部分球形污染物[1]或材料自身的夾雜物。

圖2 旋壓開裂筒形件的斷口微觀形貌Fig.2 Fracture micro morphology of spinning cracking cylindrical part

從筒形件斷口附近取樣，拋光后進行表面形貌觀察。由圖3可知，很多位置存在不規則形狀的化合物,這些化合物主要為含氮和鈦的化合物。

圖3 筒形件斷口附近化合物的SEM形貌和EDS分析結果Fig.3 SEM morphology and EDS analysis results of compoundsnear the fracture of cylindrical part

1.4 顯微組織觀察

對斷口附近和遠離斷口位置取樣后進行顯微組織觀察，如圖4所示。

圖4 筒形件斷口附近和遠離斷口位置的顯微組織Fig.4 Microstructure near and far away from fracture of cylindrical part: a) near fracture, low magnification;b) near fracture, high magnification; c) far away from fracture, low magnification; d) far away from fracture, high magnification

由圖4可見:經腐蝕后斷口附近的組織和遠離斷口位置的組織均中存在黑色點狀物，但是斷口附近的黑點更多;另外，遠離斷口位置的組織均勻，斷口附近的組織中存在大塊島狀組織，組織不均勻。

1.5 掃描電鏡和能譜分析

分別對斷口附近組織中的黑色點狀物和島狀組織進行掃描電鏡和能譜分析。由圖5可見，黑色點狀物可能為硫化物和鈦氮化合物，島狀組織主要為硅元素的偏聚。

圖5 斷口附近黑色點狀物和島狀組織的SEM形貌和EDS分析結果Fig.4 SEM morphology and EDS analysis results of black dots and island-like structure near fracture:a) SEM morphology of black dots 1; b) SEM morphology of black dots 2; c) SEM morphology of island-like structure;d) EDS analysis results of black dots 1; e) EDS analysis results of black dots 2; f) EDS analysis resutls of island-like structure

脆性化合物的存在會使材料的塑性變形能力降低[2]。材料組織不均勻導致變形不均勻，容易形成局部應力集中，加速加工過程中材料的開裂。

2 生產過程排查

該筒形件的工藝流程是：熱處理毛坯加工→正火→旋壓毛坯加工→旋壓→精加工→探傷。

調查時，熱處理操作人員及現場技術人員反映：該批筒形件正火后的硬度偏高，大于240 HB，故進行了第二次正火處理，第二次正火后筒形件的硬度基本符合要求。

根據顯微組織觀察結果，發現組織不均勻的情況，故判定是正火工序出現差錯導致。

首先，對正火后的其他筒形件重新進行硬度檢測，結果發現：筒形件沿軸向的硬度嚴重不一致，一端硬度為240 HB，另一端硬度為170 HB，且較硬的一端周向硬度也存在不一致的情況，個別位置處的硬度達300 HB。

通過對筒形件熱處理設備進行調查和檢查發現，前期該設備進行了維修，其爐內氣體的冷卻方式選取了適用于中型件和小型件的單向冷卻方式，但這種方式不利于大型筒形件的冷卻，導致大型筒形件正火冷卻時一端冷速偏快，另一端冷速則較慢，正火后兩端硬度差別較大。筒形件旋壓時，硬度較高的一端容易開裂。另外，該批筒形件旋壓開裂數量約占已旋壓數量的65%，均為嚴重開裂，生產暫停。

3 分析與討論

3.1 筒形件旋壓開裂的原因

從理化檢驗、排查結果綜合分析得出：大型筒形件的冷卻方式選取不當，筒形件冷卻不均，導致其硬度不均，出現了富硅的島狀偏析區，這是筒形件旋壓塑性變形不均甚至開裂的主要原因；該批筒形件冶煉后殘存較多諸如硫化物、氮化鈦等夾雜物，造成局部應力集中，形成開裂源，這是影響筒形件的塑性變形能力，造成其開裂的次要原因。

3.2 對策及實施效果

針對筒形件開裂的原因，改進了筒形件旋壓前的熱處理工藝，選取適用于大型工件的雙向交替冷卻方式及工藝參數，對旋壓工藝也進行了改進、完善。然后，將該批剩余原材料重新進行試生產。經生產驗證：改進工藝后大型筒形件的變形量、探傷結果、水壓試驗強度等均滿足產品技術要求，沒有出現旋壓開裂、水壓試驗開裂的情況。產品正式恢復生產后，質量穩定，這表明開裂原因分析準確，改進措施實施有效。

4 結論

(1) 該批大型筒形件旋壓開裂的主要原因是熱處理時冷卻方式選取不當，導致組織不均勻，硬度不均勻。另外，原材料中存在脆性化合物，導致材料塑性變形能力降低也是發生開裂的次要原因。

(2) 改進熱處理工藝，選用適用于大型工件的雙向交替冷卻方式，并對旋壓工藝進行改進、完善后旋壓件均未發生開裂，產品性能滿足技術要求。